火灾后混凝土建筑与钢结构建筑检测技术开发与应用

　　
　　摘要：目前，在各类火灾中，建筑火灾所占的比例最大。本文简要介绍了火灾后混凝土与 钢结构建筑检测的新技术及其应用。
　　
　　关键词：火灾 钢结构 混凝土 受火试验
　　
　　1前言
　　
　　火灾发生的频度居各种灾害之首，在各类火灾中又以建筑火灾损失最为严重，一般要占火灾总数的60%左右，而居住建筑火灾在建筑火灾中所占比例则更高。据 统计，中国06年全年共发生建筑火灾22万余起，死亡1517人，受伤1418人，直接财产损失7亿8千多万元。就此类火灾而言，建筑结构均遭到不同程度的损害，有的需要简单修复或需要进行加固，有的则需要拆掉重建。目前，由于国际建筑结构灾害工程学刚刚起步，现行建筑结构火灾后的检测与加固工作尚不规范，而在消防监督工作实践中经常要接触到类似情况，本文浅谈一下建筑结构火灾后的检测。
　　
　　 2火灾现场的资料收集
　　
　　要调查火灾对建筑物的损伤情况，首先要收集火灾现场的情况和所遗留下来的证据。
　　
　　2.1起火时间、原因与灭火的方式
　　
　　应对建筑物的起火时间与火灾延续时间详细记录。火灾发生之后，火势有个从小到大的阶段，最后直至扑灭或自然熄灭。尽可能找出火源所在的位置，查明失火原因，并且要了解灭火的手段，不同对象用的灭火方式应该不同，这对后续的 材料性能分析有所帮助。
　　
　　2.2火势蔓延的过程与受火的范围
　　
　　从火源处开始，通过可燃物的燃烧，受火范围逐步扩大。一般火通过门窗、楼梯间、天井、过道等地方蔓延。了解火势蔓延的过程，和结构各部分受火的程度是检测评估工作的重要依据。
　　
　　2.3结构损毁程度的调查
　　
　　建筑物结构受不同温度不同时间的作用，有多种损坏情况。在各个过火区域要分别调查结构损毁程度，例如结构本体是否完好，外观破坏程度，包括保护层剥落、钢筋外露、裂缝开展以及构件变形等等。
　　
　　 3现场检测与分析
　　
　　3.1以往的灾后检测方法
　　
　　目前我国已制定了一部分关于火灾后建筑结构检测评定方法的技术 标准，但对建筑结构受灾后，受损伤结构系统的检测分析与承载能力评定方法的综合 研究在国内尚没有形成较为完整体系。伴随着国民经济的快速发展和国家防灾救灾策略的需要，对灾后受损伤建筑结构的受力性能和结构的承载安全性 研究已成为结构工程与土木工程防灾领域的重要且迫切的研究课题。
　　
　　根据以往的灾后检测方法，我们一般采取以下方法：
　　
　　（1）混凝土构件的烧伤检测，包括：烧伤深度、烧伤面积；裂缝的宽度、深度、走向、分布和数量等。
　　
　　（2）构件混凝土材料强度检测，包括：构件混凝土的回弹检测、构件混凝土的碳化检测和构件混凝土钻芯取样试验检测。
　　
　　（3）构件钢筋检测，包括：钢筋化学分析、钢筋金相分析和钢筋拉伸试验。
　　
　　（4）构件变形检测，包括：构件尺寸复核、构件倾斜及挠度等。
　　
　　（5）混凝土构件检测，包括：保护层厚度检测和钢筋位置、型号、数量检测。
　　
　　（6）钢结构检测，包括：钢结构探伤、钢结构材料力学性能检测、钢结构变形检测。
　　
　　（7）构件和预埋件静力荷载试验，包括：重要构件的静载试验、重要预埋件的静载试验。
　　
　　（8）构件温度分布分析，包括：当量升温时间推定、构件温度场分析。
　　
　　但是，以上的这些方法并不全面，不能完全反映出建筑物及其构件在火灾后的承载性能和力学性能的变化。因此我们展开了灾后建筑结构损伤检测和承载能力评定方法研究科研项目，在此科研项目中，我们进行了多项灾后建筑物及其构件的各项性能变化试验。
　　
　　3.2灾后建筑结构损伤检测和承载能力评定方法研究
　　
　　3.2.1高温后混凝土材料的力学性能试验
　　
　　试验共浇注了112个试块。为了使试块在尽量短的时间内达到内外温度一致,采用非标准试块，加热时采用六面加温的方法。试块经历受火温度分别为300℃、500℃、700℃、900℃，受火时间分别为0min、30min、60min、90min、120min，共20种工况。每种工况进行4个试块的试验，并结合了两组常温工况以判断和消除非标与标准立方体试块之间的尺寸效应。


　　从本次试验的结果看出：
　　
　　（1）最高温度对混凝土劈拉(抗拉)强度有显著影响；
　　
　　（2）恒温时间对劈拉强度有与抗压强度类似的影响，300℃~500℃之间最大；
　　
　　（3）从曲面图可以看出，残余强度是温度和恒温时间共同作用结果，没有一一对应的关系。
　　
　　3.2.2混凝土连续板受火和火后静载试验
　　
　　本试验共使用了4块混凝土两跨连续板，试件跨度为2.6m×2跨，宽度1.2m，梁高250mm×400mm，板厚120mm。混凝土强度等级C35，受力钢筋采用Φ12＠200。每个受火板带布置12个热电偶，埋设深度分别为105、90、75、60、30共5种。养护后，静置150天。

　　
　　当炉膛温度达到400℃左右时，板面开始有水蒸气，并出现少量积水；达到600℃时，有明显的水蒸气从板周围冒出，板面积水面积扩大，燃烧结束加温后半小时左右水蒸气才消失。
　　
　　受火过程中，左跨板中间支座上部出现了横向通长裂缝，裂缝宽度大约在1mm左右。事后下炉观察，受火板底颜色发生了变化，出现了爆裂现象。一般来说，板底爆裂深度均在10mm左右，很少出现露筋现象。
　　
　　3.2.3钢结构梁柱栓焊连接节点灾后性能科研试验
　　
　　本试验针对钢结构建筑的特点，先分析研究火灾特性，及火灾高温条件下 钢材各项性能的变化特性；再针对钢结构建筑的主要构件进行受火后材性变化的各项试验与分析，从中研究开发出钢结构残余承载力的计算评定方法；最后结合现有检测方法、运用新的分析计算技术，开发出钢结构建筑火灾后的检测与评定新技术。
　　
　　本试验采用钢结构试件的规格：工字钢梁（长5100mm，截面400×250mm，上下板厚16mm，腹板厚8mm）、柱（截面300×300mm，板厚20mm，腹板厚12mm），采用栓焊连接。
　　
　　为了更真实的做到模拟火灾现场的效果，得到更真实的实验数据我们在钢构件加载2.6吨。

　　
　　 表1钢构件受火时间及冷却方式

试件编号	防火 涂料厚度(mm)	试验 方法	冷却方式	受火 时间	受火 情况	加载 方式	恒荷载 (kN)
B0	无	升温	喷水冷却		三面受火	无荷载	－
B1	150	升温	喷水冷却	1h	三面受火	柱顶集中荷载	60
B2	150	升温	自然冷却	0.5h	三面受火	柱顶集中荷载	60
B3	150	常温	－	－	无火	无荷载	－

　 　试验中对构件的分析：
　　
　　（1）五元素的分析得到：C、S、Mn在不同冷却条件和温度条件下无差异，但与常温相比要偏低。P、Si在不同冷却条件和温度条件以及常温下无差异。
　　
　　（2）力学性能分析结果得出：火灾后试件的屈服强度下降，降幅最大的为9％，最小为2％；火灾后试件极限强度有所下降，最大降幅为8％，最小降幅为2％；火灾后试件伸长率有所下降，最大降幅为14％，最小降幅为3％；火灾后冲击韧性有所提高，最大升幅达到56％；火灾后试件的Fy，fy，Fu，fu和伸长率在同一个试件上基本比较均匀,离散性较小，冲击韧性离散性较大；火灾后喷水冷却钢结构试件弹性模量降低最少；受火时间短的试件比受火时间长的试件，力学性能好；没有防火涂层的试件火灾后力学材能差。
　　
　　（3）试验后金相分析：从上面的试验中可以看到，试样显微组织中有魏式组织出现，这是过热的最典型表现，但由于各个部位受热温度不同和热处理状态不同，所以显微组织也表现出不同的结果。与火焰距离最近，温度最高，所以说温度的大小是决定组织结构性能的关键因素。从上面的结果不难看出，给钢结构进行防火涂装，能降低钢结构受损程度，但当燃烧时间和加热温度超过一定上限时，防火涂料也将失去功效；火灾后喷水降温后钢结构的显微组织性能比火灾后自然冷却时优越，所以当建筑钢结构发生火灾时，在最短的时间内以最快的速度进行灭火能有效的保护建筑钢结构用钢材。
　　
　　（4）防火涂层变化：防火涂料在升温过程中膨胀且发泡，延缓了试件温度升高的速度，但在膨胀且喷烟雾后即无效，即失去作用。另外，在快速升温或升温不均匀的情况下，防火涂层的作用将减小，如试件B2将最终在升温过程中发生倒塌。
　　
　　3.2.4钢结构梁柱栓焊连接节点灾后性能科研试验
　　
　　本试验的目的主要是研究火灾作用后高强螺栓扭矩系数和抗滑移荷载的变化，为火灾后钢结构承载性能评估提供依据。
　　
　　本试验内容包括：
　　
　　（1）测量高强螺栓在火灾前和火灾后的预紧力；
　　
　　（2）测量高强螺栓在火灾前和火灾后的扭矩系数；
　　
　　（3）测量高强螺栓在火灾前和火灾后的摩擦系数。
　　
　　 表2试件火灾时间及冷却方式

试件编号	升温时间	试件冷却方式
No.1	60min	升温后消防喷水试件
No.2	30min	升温后自然冷却试件
No.3	60min	升温后自然冷却试件
No.4	无	常温试验

　　
　　通过高强螺栓节点火灾试验得到如下结论：
　　
　　（1）火灾后钢结构高强螺栓节点的抗滑移荷载、扭矩和预紧力显著减小；
　　
　　（2）火灾后钢结构高强螺栓节点的扭矩系数增大；
　　
　　（3）钢结构高强螺栓节点的扭矩系数在自然冷却后比喷水冷却后的离散度大，自然冷却的下降值比喷水冷却的大；
　　
　　（4）火灾时间越长，试件的抗滑移摩擦系数损失越大。即使火灾作用时间增加，喷水冷却后试件的抗滑移摩擦还是比自然冷却后试件的抗滑移摩擦损失小；
　　
　　（5）火灾作用后，高强螺栓的螺栓硬度、螺母硬度和垫圈硬度与常温下相比都有明显下降。
　　
　　火灾将导致节点刚性劣化，使节点成为钢框架结构在火灾后可能发生破坏的薄弱环节，为此对节点处进行防火保护至关重要。
　　
　　4灾后工程检测实例
　　
　　我们在此次灾后试验后成功的把试验得出的结论运用在几个灾后项目上。
　　
　　4.1某钢结构炼铁塔灾后检测
　　
　　某钢结构炼铁塔发生火灾，在火灾发生后约一个半小时左右被消防队扑灭，在接到业主委托后，我公司迅速赶往现场进行勘查。在确定了检测方案后，我方即对该建筑开展灾后检测。我们利用先进的手段对该结构受火区域进行了全面的检测，成功诊断出该结构在火灾后的受损部位。
　　

　　4.2浦东新区源深体育馆钢结构屋架火灾后构件检测
　　
　　上海源深体育馆位于浦东新区张杨路1458号浦东新区源深体育中心内，是浦东新区重大工程之一。由于 施工人员在电焊时，未做好安全措施，引起火灾，烧坏了部分钢梁。
　　
　　我公司受上海源深体育中心委托检测源深体育馆受灾钢梁，从而准确判断该体育场馆内的受灾钢梁强度和使用寿命，为进一步 设计修理加固提供了可靠的依据。

　 　
　　5结论
　　
　　随着“灾后建筑结构损伤检测和承载能力评定方法研究”项目的深入研究、试验和不断应用，我们不仅采用了原有建筑物灾后检测技术和方法，而且有效的结合了这次灾后建筑结构损伤检测和承载能力评定方法研究得出的新技术，通过先进的技术手段，在最短的时间内对房屋结构及构件进行了灾后的温度场分析、外观缺陷检测、变形检测以及金相检测，为业主提供了客观、科学、准确的技术数据和结论，为进一步设计修理加固提供了可靠的依据。